超高壓高低溫鉆井液流變儀的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

趙建剛， 李梅楠， 石 凱， 王 琪， 許云博， 王雪竹， 孫 鵬， 李 偉， 鄧都都

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

隨著鉆探探井的環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜多樣，需要考察多種溫度和壓力條件下的鉆井液流變性。如在六七千米的深井，溫度可達(dá)170～260 ℃或更高，需要考察鉆井液體系在高溫高壓環(huán)境下的流變特性。海洋石油開發(fā)近年來(lái)所占比例不斷增加，且海洋石油勘探的趨勢(shì)是向深水區(qū)域推進(jìn)。在深水區(qū)域，鉆井環(huán)境溫度更低、壓力更大，需要考察鉆井液體系在低溫高壓環(huán)境下的流變特性。此外，新型清潔能源——天然氣水合物越來(lái)越受到關(guān)注，天然氣水合物的開采成為世界各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)。天然氣水合物是在特定的低溫和高壓條件下形成的產(chǎn)物，廣泛分布于大陸邊緣海底和凍土帶沉積物中。低溫鉆井液是獲得天然氣水合物真實(shí)樣品的重要保證條件之一。天然氣水合物勘探對(duì)鉆井液技術(shù)提出了更高要求，需要著重考察鉆井液體系在低溫條件下的流變性能。所以能夠完成多種壓力溫度測(cè)試環(huán)境的高壓高低溫鉆井液流變儀是泥漿實(shí)驗(yàn)室中必備的儀器。

1 進(jìn)口高溫高壓流變儀的使用現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)使用的高溫高壓流變儀主要來(lái)源于進(jìn)口，以美國(guó)Fann和德國(guó)Haake為主。

主要包括Fann 50C型高溫高壓流變儀、Fann 50SL型高溫高壓流變儀、Fann 70/75/iX77型高溫高壓流變儀、Fann iX77型高溫高壓流變儀，Haake RV20/D100、Thermo Haake RheoStress 600型等。

Fann 50C、Fann 50SL型高溫高壓流變儀、Fann 70/75/iX77型高溫高壓流變儀、Fann iX77型高溫高壓流變儀都是同軸旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)。

Fann 50C高工作壓力和溫度分別為7 MPa和260 ℃。其剪應(yīng)力值和樣品溫度由筆式記錄儀以曲線形式記錄在紙上，使用不便?？刂葡到y(tǒng)可靠性也較差。我國(guó)石油、地質(zhì)等部門在20世紀(jì)七八十年代相繼進(jìn)口的30多臺(tái)Fann 50C相繼出現(xiàn)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)、高速上不去、溫度失調(diào)等故障。

Fann 50SL是Fann 50C的改進(jìn)升級(jí)型產(chǎn)品，最高工作壓力和溫度分別為7 MPa和260 ℃。它的控制系統(tǒng)有較大提升，儀器控制和測(cè)試實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)化控制。

Fann 70/75相比于Fann 50C，體積更小，工作壓力也更高，極限工作壓力和溫度分別為140 MPa和260 ℃。但Fann 70不能和計(jì)算機(jī)相連，不能進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理和存貯。Fann 75改進(jìn)了這一不足。Fann75既可作為單機(jī)單獨(dú)工作，也可與計(jì)算機(jī)相連成為一個(gè)計(jì)算機(jī)控制的儀器，實(shí)驗(yàn)室與鉆井現(xiàn)場(chǎng)都可以使用。

Fann iX77型高溫高壓流變儀是一種同軸圓筒型流變儀，用于測(cè)量高溫高壓下的液體流變性。由于內(nèi)置高可靠性工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和安全設(shè)計(jì)的機(jī)電結(jié)構(gòu)，該儀器具有很高的安全性。Fann iX77型高溫高壓流變儀使用嵌入到主機(jī)上的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制，使儀器操作、數(shù)據(jù)采集、輸出報(bào)告和報(bào)警功能能自動(dòng)進(jìn)行，最大限度擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，給操作帶來(lái)較大的靈活性。專用計(jì)算軟件使儀器操作自動(dòng)化，并允許高級(jí)操作人員根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件編制專用的測(cè)試程序。該儀器使用一個(gè)精密的磁敏角度傳感器來(lái)檢測(cè)內(nèi)嵌寶石軸承的彈簧組合的角度，傳感器系統(tǒng)可以校準(zhǔn)到±0.1°。實(shí)驗(yàn)壓力由氣動(dòng)增壓泵產(chǎn)生，該泵由一個(gè)精密的后置壓力控制器、高壓閥和壓力傳感器來(lái)控制。

Fann iX77型高溫高壓流變儀最高工作溫度316 ℃，最高工作壓力210 MPa，配上外部冷凝器(D4004型)可在軟件控制下進(jìn)行低溫測(cè)試，低溫范圍為環(huán)境溫度至-20 ℃。若配上能力更強(qiáng)的外部冷凝器，則可以達(dá)到更低的測(cè)試溫度。Fann iX77型高溫高壓流變儀外形圖見圖1。

圖1 Fann iX77型高溫高壓流變儀

Haake RV20/D100最高工作極限壓力和溫度分別為100 MPa和300 ℃，是從德國(guó)進(jìn)口的一款高端流變儀。Thermo Haake RheoStress 600體積較小，整機(jī)智能化程度較高，控制軟件和分析軟件較為完備。該儀器的測(cè)試系統(tǒng)采用空氣軸承加壓，大大提高了測(cè)試精度，該儀器最高測(cè)試溫度為250 ℃。

中國(guó)海洋石油總公司、塔里木石油勘探開發(fā)指揮部以及與石油、鉆探等有關(guān)的科研院所和高校相繼從國(guó)外多家公司進(jìn)口了多臺(tái)高端高溫高壓流變儀。這些進(jìn)口高端儀器價(jià)格昂貴，貿(mào)易手續(xù)繁雜，在使用中也存在著不少問(wèn)題，主要為：

(1)技術(shù)資料多為外文，使用不便；

(2)售后周期長(zhǎng)，費(fèi)用高；

(3)零配件供應(yīng)周期長(zhǎng)，價(jià)格被動(dòng)大。

綜上所述，使用進(jìn)口高端流變性測(cè)試儀器具有價(jià)格高昂、使用不便、維修售后難度大，零配件供應(yīng)不便等諸多問(wèn)題。

2 北京探礦工程研究所研發(fā)的Explore 97型超高壓高低溫鉆井液流變儀

2013年4月，國(guó)家科技部重大儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目“超高溫高壓鉆井液流變儀的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”獲得正式批復(fù)，由北京探礦工程研究所牽頭承擔(dān)。

經(jīng)過(guò)5年的研究開發(fā)，攻克了超高溫高壓和低溫高壓條件下鉆井液的流變性測(cè)試、高精度粘度測(cè)量、采集與處理等技術(shù)難題，試制了耐腐蝕高溫高壓測(cè)試釜，完成了鉆井液流變性的各種流變模型的整理和分析，進(jìn)行參數(shù)計(jì)算、評(píng)價(jià)分析的程序編寫，并結(jié)合應(yīng)用于控制軟件中，經(jīng)過(guò)樣機(jī)的組裝和調(diào)試，開發(fā)了高溫高壓控制系統(tǒng)、高精度剪率控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部件，通過(guò)系統(tǒng)集成和軟件開發(fā)，目前已成功研制出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)超高壓高低溫鉆井液流變儀，是目前國(guó)內(nèi)國(guó)際上最先進(jìn)高端的鉆井液流變性測(cè)試儀。

Explore 97工程化流變儀樣機(jī)，完成了耐壓260 MPa，加熱溫度超過(guò)350 ℃的極端性能測(cè)試，在高溫高壓和低溫高壓的條件下，測(cè)試了多種樣品的流變性，驗(yàn)證了儀器的綜合技術(shù)性能指標(biāo)，達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化的需要。

該儀器能測(cè)定高溫(320 ℃)高壓(220 MPa)和低溫(-20 ℃)高壓條件下鉆井液的流變性，滿足我國(guó)深部油氣、深部礦產(chǎn)、高溫地?zé)?、天然氣水合物及大陸科學(xué)鉆探等深部鉆探工程的需要。其特征在于采用隔離磁耦合扭矩傳遞方法，實(shí)現(xiàn)粘度信號(hào)測(cè)量和剪率的控制，剪率控制范圍大，鉆井液屈服值的測(cè)試精度高，采用非接觸式粘度測(cè)試方法，解決了高溫高壓的密封、元器件高溫條件下使用壽命等問(wèn)題。超高壓高低溫鉆井液流變儀結(jié)構(gòu)示意見圖2、整機(jī)示意見圖3。

圖2 超高壓高低溫鉆井液流變儀結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 超高壓高低溫鉆井液流變儀整機(jī)示意圖

北京探礦工程研究所研制的Explore 97型超高壓高低溫鉆井液流變儀與目前進(jìn)口的國(guó)際一流的Fanni X77型高溫高壓流變儀的對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 Explore 97與Fann iX77型高溫高壓流變儀的指標(biāo)對(duì)比

Explore 97型超高溫高壓流變儀的測(cè)試軟件運(yùn)行于Windows平臺(tái)，使用Labview作為開發(fā)工具。該軟件功能完善、界面友好，使流變儀操作、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、輸出報(bào)告能自動(dòng)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)智能化測(cè)量。

該軟件功能主要分為以下幾個(gè)方面。

(1)校準(zhǔn)：校準(zhǔn)頁(yè)面見圖4，分為初始校準(zhǔn)和常規(guī)校準(zhǔn)。初始校準(zhǔn)指的是在初次使用該儀器或硬件有變動(dòng)時(shí)進(jìn)行的校準(zhǔn)，初始校準(zhǔn)結(jié)束后，軟件將存儲(chǔ)該校準(zhǔn)的結(jié)果，用于后續(xù)測(cè)試進(jìn)行常規(guī)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。

圖4 校準(zhǔn)頁(yè)面

(2)手動(dòng)測(cè)試：手動(dòng)測(cè)試頁(yè)面見圖5。用戶直接設(shè)置轉(zhuǎn)速、溫度和壓力，軟件控制系統(tǒng)內(nèi)的硬件執(zhí)行測(cè)試命令，獲取測(cè)試數(shù)據(jù)，并調(diào)用數(shù)據(jù)顯示、處理與報(bào)告功能向用戶輸出測(cè)試結(jié)果。

圖5 手動(dòng)測(cè)試

(3)自動(dòng)測(cè)試：見圖6，采用軟件預(yù)置資源庫(kù)中的自動(dòng)測(cè)試序列進(jìn)行智能化測(cè)試。預(yù)置資源庫(kù)中的自動(dòng)測(cè)試序列是較為標(biāo)準(zhǔn)合理的測(cè)試參數(shù)序列，用戶也可以提供測(cè)試點(diǎn)，自動(dòng)測(cè)試可以幫助用戶設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)，以獲取更可靠的數(shù)據(jù)。

(4)高級(jí)設(shè)置：見圖7，設(shè)置系統(tǒng)初始參數(shù)，用于提供初始化數(shù)據(jù)以及默認(rèn)狀態(tài)，該功能平時(shí)不可見，只有高級(jí)操作人員有權(quán)限進(jìn)入。

(5)數(shù)據(jù)顯示、處理與報(bào)告：見圖8，該功能用于顯示校準(zhǔn)、手動(dòng)測(cè)試和自動(dòng)測(cè)試中獲取的數(shù)據(jù)，計(jì)算校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)，并生成、存儲(chǔ)和發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)告。

圖6 自動(dòng)測(cè)試

圖7 高級(jí)設(shè)置

圖8 數(shù)據(jù)顯示、處理與報(bào)告

圖9為用戶使用該流變儀測(cè)試壓裂液的數(shù)據(jù)采集結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)

該儀器目前已經(jīng)過(guò)中國(guó)計(jì)量院、北京計(jì)量院等機(jī)構(gòu)進(jìn)行了溫度、壓力、粘度等關(guān)鍵指標(biāo)的校準(zhǔn)，已能夠承擔(dān)實(shí)際實(shí)驗(yàn)任務(wù)，進(jìn)行鉆井液流變儀的超高壓高低溫實(shí)驗(yàn)。該儀器未來(lái)進(jìn)入市場(chǎng)，可直接應(yīng)用于以下3個(gè)鉆探環(huán)境的鉆井液流變性能測(cè)試：(1)深井高溫高壓鉆探環(huán)境；(2)深水石油鉆探環(huán)境；(3)大陸邊緣海底和凍土帶天然氣水合物鉆探。

圖9流變儀實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

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